不同架構(gòu)數(shù)據(jù)中心預(yù)制化交流電力模塊的利與弊

自2018年底數(shù)據(jù)中心預(yù)制化直流電力模塊(巴拿馬電源)推出以后，其一體化整合供配電全鏈路資源的思路引發(fā)關(guān)注，隨后不到一年數(shù)據(jù)中心預(yù)制化交流電力模塊也在市場上嶄露頭角，短短幾年就有若干知名廠商加入賽道，發(fā)布了自己的產(chǎn)品。這些廠商有來自互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的巨擘，也有傳統(tǒng)配電領(lǐng)域的常青樹，各自對預(yù)制化交流電力模塊理解不同,所發(fā)布的產(chǎn)品也有一定的差別。1數(shù)據(jù)中心預(yù)制化交流電力模塊主要架構(gòu)數(shù)據(jù)中心預(yù)制化交流電力模塊主要架構(gòu)的區(qū)別體現(xiàn)在視電力模塊為產(chǎn)品的極簡設(shè)計思路，和視電力模塊為工程的電氣工程設(shè)計思路。1.1

極簡設(shè)計類數(shù)據(jù)中心預(yù)制化電力模塊極簡設(shè)計思路的電力模塊(圖1)，UPS主路與旁路合用一個輸入端，直連電力模塊柜頂水平母線。因采用模塊機形式，主路各功率模塊內(nèi)部輸入輸出端設(shè)有熔斷器保護，集中靜態(tài)旁路的輸入輸出端設(shè)有熔斷器保護，UPS整體利用隔離開關(guān)作為輸入輸出的隔離電器。圖1

極簡設(shè)計電力模塊單線圖1.2

電氣工程設(shè)計類數(shù)據(jù)中心預(yù)制化電力模塊電氣工程設(shè)計思路的電力模塊(圖2)，UPS主路與旁路合用一個輸入端，UPS整體利用外置斷路器作為輸入輸出的隔離電器。圖2電氣工程設(shè)計電力模塊單線圖1.3

數(shù)據(jù)中心預(yù)制化電力模塊是一種緊湊型工程通過與各家廠商的技術(shù)交流以及一段時間以來的工程實踐，我們得知：電力模塊內(nèi)部的變壓器、低壓柜、UPS均可以選擇不同廠商的產(chǎn)品，電力模塊的系統(tǒng)架構(gòu)以及低壓柜內(nèi)的分隔形式、垂直母線等也可以根據(jù)工程需要調(diào)整。因此，我們認為預(yù)制化電力模塊雖然是作為一種產(chǎn)品向市場推出，但其本質(zhì)更應(yīng)該是一種緊湊型工程。2數(shù)據(jù)中心預(yù)制化交流電力模塊主要技術(shù)點及注意事項電力模塊主要技術(shù)差異集中體現(xiàn)在是使用外置斷路器作為UPS的輸入輸出保護，還是僅依靠UPS內(nèi)部的負荷開關(guān)+熔斷器，認為其保護動作曲線足以保證系統(tǒng)可靠運行。2.1

占地空間變化(配電柜數(shù)量)與傳統(tǒng)的方案對比,電力模塊將原本部署于不同位置的變配電設(shè)備如變壓器、低壓柜、UPS輸入輸出保護、UPS、饋出柜等緊鄰部署，占地面積能減少20%以上。其中極簡設(shè)計思路的電力模塊由于省略了UPS輸入輸出保護斷路器，更加節(jié)省配電柜數(shù)量，占地面積進一步減少，這對于一些強調(diào)出房率、強調(diào)節(jié)約成本的客戶來講是喜聞樂見的。2.2對UPS進線保護開關(guān)分斷或耐受性能要求的改變電力模塊作為整體解決方案，其UPS及相應(yīng)的配電保護設(shè)備的安裝位置大大前移到緊鄰變壓器低壓側(cè)。與傳統(tǒng)的UPS及配套設(shè)備遠離變壓器的部署方案發(fā)生了明顯的變化。在數(shù)據(jù)中心行業(yè)初期時，UPS的容量較小，部署位置也遠離變電站或變壓器。這種情況下通過電纜為UPS及配套設(shè)備進行供電，經(jīng)過電纜的限流后，在UPS上口的短路電流會明顯變??；而當(dāng)電力模塊式的UPS就安裝在變壓器低壓側(cè)時，就不存在這種電纜的限流作用。通過ETAP的模擬分析可以幫助我們清晰量化這種影響，用一個案例(圖3)來說明短路電流的變化。案例中設(shè)置了2個短路點,短路點1就位于變壓器低壓側(cè)，這個場景就是電力模塊場景；短路點2位于經(jīng)過50m電纜后的UPS上端口，可以理解成為傳統(tǒng)配置下的場景：出線回路電纜為截面積為185mm2的單芯電纜，每相3根。變壓器額定容量為2500kVA，短路阻抗為6%，連接組別為Dyn11。變壓器10kV側(cè)系統(tǒng)內(nèi)短路電流，分別按照主流斷路器額定分斷電流(25kA及31.5kA)進行假設(shè)，假設(shè)10kV系統(tǒng)內(nèi)感抗與電阻比值(X/R)為10。短路電流計算見表1。圖3

ETAP模擬案例說明：（1）由于案例中未計入電動機負荷,因此表中對稱短路電流初始值I”k與穩(wěn)態(tài)短路電流值Ik相同。（2）Ith的計算方法：在仿真軟件中電纜末端設(shè)置斷路器，從而獲得故障時流經(jīng)斷路器的熱等效短路電流。通過ETAP的模擬計算(結(jié)算標(biāo)準(zhǔn)采用IEC-60909)，可以清晰看出當(dāng)安裝位置越靠近變壓器時，流經(jīng)配電設(shè)備(如斷路器、熔斷器、負荷開關(guān)、電纜、母線等)的短路電流就越大，對UPS主回路及靜態(tài)旁路中保護分斷設(shè)備的分斷或耐受性能要求就越嚴(yán)苛。2.3

斷路器VS負荷開關(guān)+熔斷器的保護能力斷路器進線方案、負荷開關(guān)+熔斷器方案分別如圖4、圖5所示。圖4

斷路器進線方案圖5負荷開關(guān)+熔斷器方案假設(shè)一個回路中已經(jīng)出現(xiàn)了短路，當(dāng)電源接通后，則出現(xiàn)短路電流。此時分斷設(shè)備需要承受短路電流的峰值，滿足動穩(wěn)定耐受要求，以確保保護分斷設(shè)備不會因為短路電流的電動力而損壞。這個值以短路電流的峰值來定義，即：短路接通容量。對于保護分斷設(shè)備來說就是額定閉合電流或閉合容量(Icm)。當(dāng)發(fā)生短路故障時，不但要求保護分斷設(shè)備不會因為電動力而遭受破壞，還需要按照設(shè)計要求安全的分斷短路電流。因此需要根據(jù)計算出的最大短路電流有效值去選擇具有適當(dāng)耐受能力(如Icm,Ith)和分斷能力(如Ics,Icu)的保護設(shè)備。短路電流計算結(jié)果決定了保護分斷設(shè)備選型的結(jié)果。如果保護分斷設(shè)備的分斷能力或耐受能力小于流經(jīng)自身的最大短路電流時，就是一個非常嚴(yán)重的潛在隱患，也違背了設(shè)計要求，必須引起重視。目前在電力模塊的解決方案中，UPS及其配套設(shè)備就在變壓器低壓側(cè)，并通過銅排進行連接。在工程應(yīng)用上，僅有幾米長的銅排對短路電流的限流作用可視為零，那么在電力模塊解決方案中，無論采用負荷開關(guān)+熔斷器配置方案或斷路器配置方案，實現(xiàn)對UPS主回路或靜態(tài)旁路的保護，保護分斷設(shè)備參數(shù)都需要按照前面案例的短路點1的最大三相短路電流計算結(jié)果進行選擇：（1）熔斷器熔斷器在只考慮分斷能力的情況下，只要求熔斷器的短路分斷能力大于預(yù)期短路電流(包括有效值及峰值)。因此對于靠近變壓器低壓側(cè)安裝的熔斷器，要求其短路分斷電流有效值大于57.3kA，峰值大于131.6kA。通常熔斷器的分斷能力較大，能夠?qū)崿F(xiàn)對以上分斷能力或耐受能力的參數(shù)要求。（2）負荷開關(guān)由于負荷開關(guān)不具備分斷短路電流的能力，因此沒有Ics和Icu值，但是有Icw和Icm參數(shù)要求。Icw(短時耐受電流)：設(shè)計人員需要考慮上游斷路器最大的切除時間來校驗下游負荷開關(guān)的Icw值，參考如上的短路計算結(jié)果，要求Icw參數(shù)大于58.5kA/0.5秒。Icm(額定閉合電流)：由于負荷開關(guān)靠近變壓器低壓側(cè)，預(yù)期的短路電流峰值為131.6kA。市場上多數(shù)的負荷開關(guān)單獨使用時，無法滿足耐受如此高峰值電流的要求，所以需要在上游安裝額外的熔斷器或斷路器以便實現(xiàn)限流。目前一些廠家號稱擁有專利的小尺寸的負荷開關(guān)，雖然能夠滿足1250A的載流量，但是否能夠承擔(dān)131.6kA的短路電流峰值并沒有具體說明。其次，如果負荷開關(guān)作為UPS主回路或靜態(tài)旁路中的隔離設(shè)備安裝在低壓主進斷路器下口時，由于低壓主進斷路器基本采用框架斷路器，市面上廣泛使用的框架斷路器的主流型號沒有限流功能，因此無法對負荷開關(guān)實現(xiàn)限流保護。最后，在極端情況下，當(dāng)故障點在負荷開關(guān)下口時閉合負荷開關(guān)，那么負荷開關(guān)直接面對閉合短路電流(峰值電流)的情況。一旦負荷開關(guān)參數(shù)不滿足使用要求，將會造成設(shè)備燒毀甚至人員傷亡的事故。（3）斷路器斷路器可供選擇的參數(shù)就豐富很多，容易滿足對參數(shù)的要求。對于框架式斷路器,就可以選擇Icu或Ics參數(shù)高于57.3kA、Icm參數(shù)高于131.6kA、Icw參數(shù)高于57.9kA/1s的斷路器。2.4

可在線維護能力(是否能做到維護時的電氣隔離,以及持續(xù)供電是否受影響)（1）負荷開關(guān)的更換復(fù)雜，斷電故障面積增大，需要更長的維護時間如果UPS進線的負荷開關(guān)萬一出現(xiàn)故障需要更換，需要斷掉低壓總進線，拆除與上下游連接銅排的螺絲，相比傳統(tǒng)抽出式ACB的方案，本體可以搖進搖出的更換方案，顯然負荷開關(guān)更換的復(fù)雜度更大，故障平均修復(fù)時間MTTR變長。（2）熔斷器，特別是快速熔斷器雖然在短路狀況下保護了靜態(tài)旁路，但實際上犧牲了配電的選擇性，且更換復(fù)雜，需要更長的維護時間目前部分UPS廠家為了宣傳其產(chǎn)品的抗短路能力，在整流逆變以及靜態(tài)旁路的上游都安裝了熔斷器，宣稱UPS的Icc可以達到100kA，滿足低壓柜50kA/65kA的短路環(huán)境。從配電保護的角度來看這樣并不合理，因為UPS下游一旦出現(xiàn)短路，UPS會切換到旁路，按理說旁路的功率元器件SCR需要有足夠的短時耐受能力，以便下游的斷路器有足夠的時間將故障切除；但是有些廠家為了在參數(shù)上好看，在旁路上游增加了快熔，當(dāng)下游出現(xiàn)短路時，因為快熔的動作時間比斷路器動作還要快，大概率會出現(xiàn)靜態(tài)旁路的熔斷器熔斷與下游保護設(shè)備的選擇性難以保證。圖6~7是某廠家安裝在UPS進線靜態(tài)旁路側(cè)的Bussmann熔斷器的脫扣曲線，熔斷器規(guī)格為1800A。如果是50kA的短路電流，預(yù)計脫扣時間在0.0004秒，考慮到下游列頭柜一般是400A，50kA的短路電流會使MCCB進入到能量脫扣區(qū)域，能量脫扣一般時間小于10ms，也就是0.01秒。所以從曲線配合的角度來說很難具有選擇性，也即：一旦發(fā)生短路故障，下游的MCCB還沒有動作，上游的熔斷器已經(jīng)先行熔斷，對運維來說，需要排查的故障范圍變大，故障平均修復(fù)時間MTTR變長。同時熔絲的更換也比較麻煩，更換UPS內(nèi)部的熔絲可能需要廠家的技術(shù)支持，等待售后工程師到場，這樣的設(shè)計實際是人為增加了故障的恢復(fù)時間。圖6熔絲在50kA短路電流下的脫扣時間圖7MCCB在50kA短路電流下進入能量脫扣時間（3）負荷開關(guān)+熔斷器的方式無法實現(xiàn)UPS的反向饋電保護GB7260.1-2008不間斷電源設(shè)備第1-1部分：《操作人員觸及區(qū)使用的UPS的一般規(guī)定和安全要求》第5.1.4反向饋電保護中說明：“應(yīng)配置反向饋電保護。在正常情況和交流輸入電壓掉電使零部件出現(xiàn)單一故障情況下，反向饋電保護裝置輸入端不應(yīng)出現(xiàn)電擊危險”。例如圖8中,如果UPS在電池放電模式，靜態(tài)旁路出現(xiàn)故障，則電流會通過靜態(tài)旁路反向倒送到上游配電柜(桔黃色為倒送電流方向)，即發(fā)生逆功率故障。如上游有人在操作，則存在電擊的風(fēng)險。圖8UPS反向饋電風(fēng)險示意圖目前UPS廠家實現(xiàn)反向饋電保護，最經(jīng)濟的做法是通過UPS內(nèi)部的控制器，當(dāng)發(fā)現(xiàn)逆功率故障時，向靜態(tài)旁路上游的斷路器發(fā)出脫扣信號，實現(xiàn)跳閘。在負荷開關(guān)+熔斷器的方式中，該負荷開關(guān)不具備任何電操或者遠程分合閘的能力，所以當(dāng)反向饋電故障發(fā)生的時候，無法跳開上游開關(guān)，具有很大的安全風(fēng)險。2.5A級數(shù)據(jù)中心設(shè)計時需考慮SLA的罰則A級數(shù)據(jù)中心設(shè)計時要考慮SLA的罰則，SLA即服務(wù)級別協(xié)議，是指提供服務(wù)的企業(yè)與客戶之間就服務(wù)的品質(zhì)、水準(zhǔn)、性能等方面所達成的雙方共同認可的協(xié)議或契約。一個A級數(shù)據(jù)中心遇到一次故障會將為C級，那么多久才能恢復(fù)到A級保障水平是客戶最關(guān)心的。一般來講A級數(shù)據(jù)中心的SLA，允許單側(cè)失電的時間不會超過30分鐘，那么我們就要考慮在這個時間內(nèi)如何快速切除故障點，恢復(fù)供電。從這個角度出發(fā)，無疑影響面越小越容易恢復(fù)。基于電氣工程設(shè)計思路的電力模塊，由于每臺UPS均有外置斷路器作為輸入輸出保護，因此在UPS單臺故障或需要整體更換時可輕易斷開設(shè)備，通過剩余UPS或公共維護旁路繼續(xù)為負載供電；而基于極簡設(shè)計思路的電力模塊，由于每臺UPS直連水平母線，僅有內(nèi)部的負荷開關(guān)+熔斷器作為電氣保護，單個模塊故障時可以更換故障單元，但如果是功率模塊外的電氣連接部分短路或者需要整體更換時只能水平母線斷電來進行維護，此時就不是分鐘級能恢復(fù)的了。3負荷開關(guān)+熔斷器配置方案與斷路器配置方案的比較配置方案對比如表2所示。4結(jié)束語數(shù)據(jù)中心預(yù)制化交流電力模塊經(jīng)過眾多廠商的研究，推出了不同架構(gòu)以應(yīng)對市場需要。無論是極簡設(shè)計思路，還是工程思路，電力模塊的本質(zhì)沒有改變，都是緊湊